Technologie

Projekt „C3PO“ optimiert Kontakte auf Solarzellen

06.10.2020 - Laser-Methode verspricht Vorteile gegenüber dem Standardverfahren.

Am Fraunhofer-Institut für Solare Energie­systeme ISE in Freiburg ist ein alter­natives Verfahren zur Herstellung von Solarzellen-Kontakten entwickelt worden. Das Laser Transfer and Firing (LTF) bietet insbesondere für bestimmte Solarzelle­noberflächen Vorteile gegenüber dem Standard­verfahren. Im Verbundprojekt „C3PO“ ist es den Forschern gemeinsam mit Industrie­partnern gelungen, den LTF-Prozess erstmals vollautomatisiert abzubilden. Das Verfahren kann nun im Hinblick auf eine industrielle Umsetzung systematisch getestet und optimiert werden.

Um den in einer Solarzelle erzeugten Strom entnehmen zu können, werden Leiter­bahnen aus Metall – die Kontaktfinger – auf die Solarzelle aufgebracht. Das Standard­verfahren hierzu ist der Siebdruck. Hier wird Silberpaste durch ein Sieb auf die Solarzellen­vorderseite aufgebracht. Die Solarzellen­produktion ist heute einer der größten Silberkonsumenten weltweit. Auch deshalb werden intensiv alternative Metalle und entsprechende Verfahren zur Kontaktfinger­aufbringung untersucht, darunter ein elektro­chemisches Verfahren, das elektro­chemische Plating. Bevor das Plating allerdings eingesetzt werden kann, muss eine vorhandene elektrische Schutz­schicht geöffnet werden. Dies erfolgt heute durch einen speziellen Laserprozess, der die Schutzschicht an bestimmten Stellen gezielt und präzise abträgt. Auf den so entstandenen Kontakt­öffnungen wird dann der Kontaktfinger aus zunächst Nickel, dann Kupfer und zuletzt Silber elektro­chemisch aufgewachsen.

Das neue LTF- Verfahren zur Öffnung der elektrischen Schutzschicht und Herstellung der Metallkontakte bietet gleich mehrere Vorteile gegenüber dem Standard­verfahren. Es ermöglicht eine höhere Flexibilität bei der Wahl der Kontakt­metalle, indem statt Nickel zum Beispiel auch Aluminium, Titan oder Wismut zum Einsatz kommen können. Das Verfahren bietet zudem mehr Spielraum beim Kontaktfinger-Layout. Zudem eignet sich das Metallisierungs­verfahren auch für Solarzellen mit temperatur­sensiblen Schichten, da es die Zelle nicht über Raumtemperatur erwärmt.

Der LTF-Prozess besteht aus zwei Teilschritten: Durch ein direktes Laserdruck­verfahren wird im ersten Schritt Metall im gewünschten Kontaktfinger-Layout von einer metall­beschichteten Folie auf eine Solarzelle übertragen. An dieser Stelle spricht man zunächst von LIFT – Laser Induced Forward Transfer. Wesentlich dabei ist, dass die übertragenen Metall­strukturen sehr schmal sind, damit die auf die Zell­oberfläche auftreffende Sonnen­strahlung nicht übermäßig abgeschattet wird. „Mit dem Verfahren konnten wir im Labor bereits Metall­strukturen feiner als fünf Mikrometer auf die Solarzellen­oberfläche aufbringen“, berichtet Saskia Kühnhold-Pospischil vom Fraunhofer ISE. In der neuen Anlage wird für den LIFT-Prozessschritt die Solarzelle auf einem Vakuum-Chuck positioniert und unter eine metall­beschichtete Trägerfolie gefahren, von der das Metall auf die Solarzelle übertragen wird. Nach der Metall­übertragung wird die Metallfolie vollautomatisch durch ein Rolle-zu-Rolle-System ein Stück weiter transportiert, um den Metall­übertrag der nächsten Solarzelle durchführen zu können. 

Im zweiten Prozess­abschnitt werden die so entstandenen Metall­strukturen auf der Solarzellen­oberfläche zu Kontakten ausgebildet. Dies geschieht mittels Laser Selective Heating (LSH). Dazu wird ein Laser mit einer Wellenlänge verwendet, welche lediglich von dem übertragenen Metall absorbiert wird, nicht aber vom darunter liegenden Silizium. So wird das Silizium durch diesen Laserschritt nicht beschädigt, was wiederum vorteilhaft für hohe Solarzell­effizienzen ist. Beide Prozess­schritte können vollautomatisiert und auf wenige Mikrometer exakt aligniert in der neuen LTF-Anlage durchgeführt werden.

Im Labor war die Funktionalität des neuen LTF-Verfahrens bereits nachgewiesen worden. Im Rahmen des Verbundprojekts „C3PO – Cool Copper Contacts – Entwicklung einer industriellen Nieder­temperatur- Technologie zur Herstellung zwanzig Mikrometer feiner Kupfer­kontakte für bifaciale PERC, Hetero- und TOPCon-Solarzellen“, das vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie gefördert wurde, konnte in einer Zusammenarbeit mit Industriefirmen der Prozess auf einer industrie­nahen Anlage erstmals umgesetzt werden. Zukünftig sollen neben der beschriebenen LTF-Anwendung auch Kontaktfinger in ihrer Gänze Schicht für Schicht additiv gefertigt werden. „Sowohl für die Herstellung kleinster 3D Strukturen als auch das lokale Beschichten sensibler Bauelemente sehen wir auch in weiteren Forschungs­feldern Anwendungs­möglichkeiten für die LTF-Technologie. Mit der Pilotanlage und unserem Konsortium bestehen nun beste Voraus­setzung diese zukünftig erfolgreich zu entwickeln“, sagt ISE-Forscher Jan Nekarda.

Fh.-ISE / JOL

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